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New insights into the piezoelectric, thermodynamic and thermoelectric properties of lead-free ferroelectric perovskite Na0.5Bi0.5TiO3 from Ab initio calculations

材料科学 四方晶系 塞贝克系数 德拜模型 热电效应 钙钛矿(结构) 铁电性 从头算 凝聚态物理 带隙 压电 热力学 晶体结构 热导率 结晶学 电介质 化学 光电子学 复合材料 物理 有机化学
作者
Oumkeltoum Mezilet,Abdenacer Assali,S. Meskine,A. Boukortt,Mohamed Salah Halati
出处
期刊:Materials today communications [Elsevier]
卷期号:31: 103371-103371 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.mtcomm.2022.103371
摘要

Ab initio DFT calculations have been performed to investigate a complete set of structural, electronic, elastic, piezoelectric, thermodynamic and thermoelectric properties of lead-free perovskite Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 (NBT) crystalizes in rhombohedral ( R 3 c ), tetragonal ( P 4 bm ) and cubic ( Pm 3 ̅ m ) phases. The lattice stabilities in Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 crystals are studied from the formation energy and phonon dispersions. Electronic band profiles obtained using new KTB mBJ+so potential reveal that R 3 c , P 4 bm and Pm 3 ̅ m phases of NBT are indirect band gap semiconductors with energy values of ~ 3.29, 3.05 and 3.09 eV, respectively. Analysis of the calculated elastic constants ( C ij ) indicates that NBT systems are elastically stable. Ferroelectric tetragonal NBT crystal shows relatively high piezoelectric coefficients [ d 15 = 101.0 pC/N, d 31 = 51.3 pC/N and d 33 = 81.1 pC/N], compared to the rhombohedral system [ d 15 = 96.4 pC/N, d 31 = 8.93 pC/N and d 33 = 21.2 pC/N and d 22 = 21.2 pC/N]. Thermodynamic quantities for rhombohedral NBT compound were calculated using the quasi-harmonic Debye model. Thermoelectricity in terms of electrical conductivity σ / τ , thermal conductivity κ / τ , Seebeck coefficient S , figure of merit ZT and thermo power for NBT crystals were examined using BoltzTraP2 code. P 4 bm -NBT structure showed a largest magnitude of S ~ 201.42 µV/K (at T = 500 K), following by Pm 3 ̅ m ~ 173.6 µV/K (800 K) and R 3 c ~ 158.6 µV/K (100 K). ZT maximized to high values ~ 2.76 (at 700 K), 2.16 (900 K) and 1.96 (400 K) for P 4 bm , Pm 3 ̅ m and R 3 c structures, respectively. Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 (NBT ) compounds could be a promising candidate for use in manufacturing high-performance piezoelectric devices and developing high-power thermoelectric generators. • Ab initio DFT calculations on Piezoelectric, thermodynamic and thermoelectric properties of perovskite Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 crystals. • NBT possesses higher hardness and better mechanical stability. • A indirect band gap character was obtained for the three considered phases. • NBT crystals have excellent thermoelectric and piezoelectric performances. • Lead-free NBT systems are promising candidate for developing high-power thermoelectric generators and piezoelectric devices.
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